不同應用場景下超高分子量聚乙烯/彈性體復合材料力學性能劣化規(guī)律

陳謙, 王朝輝*, 張文武, 李彥偉, 王珊珊

(1.長安大學 公路學院，西安 710064；2.山東高速集團有限公司，濟南 250098；3.太行城鄉(xiāng)建設集團有限公司，石家莊 050090)

涂料被廣泛應用于汽車、船舶、建筑等領域。為控制黏度方便成膜，傳統(tǒng)涂料一般采用有機溶劑來溶解高分子化合物，其成分中揮發(fā)性有機物(VOCs)含量高，易污染環(huán)境[1]。隨著生態(tài)理念推廣與發(fā)展，研發(fā)低VOCs 環(huán)保型涂料來替代傳統(tǒng)溶劑型涂料已成為材料工作者們研究的重點和熱點[2-4]?，F(xiàn)階段，常見環(huán)保型涂料主要分為兩類：水性涂料與無溶劑型涂料；前者以水作溶劑，清潔環(huán)保功能明顯[5-7]，然而，相比于傳統(tǒng)油性涂料，水性涂料力學性能較低，致使涂層在外力作用下易出現(xiàn)劃痕、裂紋，影響外觀，縮短壽命；后者固化成膜過程中無VOCs，典型產品為紫外光固化材料[8-10]，短時間內光引發(fā)聚合即可形成高度交聯(lián)網絡，但由于固化快、體積收縮大，易造成一定結構缺陷。上述兩類環(huán)保型涂料都因各自不足而減緩了替代傳統(tǒng)溶劑型涂料的進程，目前亟需開發(fā)一種固化速度快、環(huán)境影響低、力學性能優(yōu)的環(huán)保型涂料。

彈性體(EL)為雙組分無溶劑型涂料[11]，A 組分(聚合物多元醇)長鏈結構具有柔韌性，充當軟段，與B 組分(異氰酸酯)反應生成的氨基甲酸酯鍵，易形成氫鍵，充當硬段，軟硬段交替排列賦予材料優(yōu)異強度及韌性[12-13]。此外，彈性體固化時間短(1 min)，且防腐、耐老化性能顯著。近年來，學者們對彈性體涂料進行了一系列研究。Sun 等[14]提出了一種木質素/彈性體制備方法，制得的材料具備良好拉伸強度和動態(tài)適應性；陳謙等[15]制備了聚乙烯醇纖維/超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微粉/彈性體復合材料，明確了不同類型復合材料的拉伸與沖擊性能；Lei 等[16]研究了納米纖維素對彈性體復合材料性能的增強作用，分析了納米纖維素與彈性體基體的相互作用；Zhou 等[17]開發(fā)了兼具強度和韌性的納米SiO2/彈性體；Pan 等[18]研制了一種可回收的自修復彈性體復合材料，具有優(yōu)異拉伸強度、熱塑性和自愈性。綜上，當前研究主要集中在彈性體的制備工藝、改性方法與性能提升方面，而關于彈性體及其復合材料在不同應用場景下長期力學性能的研究涉及較少。因此，若能揭示彈性體材料在不同服役環(huán)境下力學性能的發(fā)展過程及規(guī)律，將進一步促進其在工程領域的推廣與應用。

基于此，制備超高分子量聚乙烯/彈性體(UHMWPE/EL)復合材料，模擬濕熱老化、低溫脆化與氣候老化等3 種實際應用場景，全面研究不同場景下彈性體及其復合材料的拉伸、撕裂、沖擊、緩沖等力學性能的劣化過程及衰變規(guī)律；基于同步熱分析儀闡釋復合材料熱分解行為，對比評價不同回復溫度、變形方式下復合材料的回復比例與效率，揭示其形狀自動回復能力及損傷狀況；最終探明彈性體復合材料的耐久性及環(huán)境適應性，從而為其全生命周期性能演化及工作機制研究提供數(shù)據(jù)支持。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料

試驗材料選用彈性體與超高分子量聚乙烯微粉，參數(shù)見表1 和表2。彈性體A 組分為4, 4'二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)聚醚型聚氨酯預聚體，B 組分為端氨基聚醚與端氨基擴鏈劑的混合物。參考試驗結果[15]，UHMWPE 微粉摻量確定為彈性體的3wt%(質量比)。

表1 彈性體(EL)技術參數(shù)Table 1 Technical parameters of elastomer (EL)

表2 超高分子量聚乙烯(UHMWPE)微粉技術參數(shù)Table 2 Technical parameters of ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) micropowder

UHMWPE/EL 復合材料采用高壓加熱專用噴涂設備進行制備，方法如下：將適量EL 的B 組分倒入燒杯，再將UHMWPE 微粉置于其中，獲得混合溶液；將燒杯置于超聲分散機，超聲處理3 min，同時啟動高速攪拌機，速率300 r/min；在超聲分散與高速攪拌共同作用下，UHMWPE 微粉均勻分散于溶液中，制得改性B 組分；將EL的A 組分與改性B 組分(體積比1∶1)，分別倒入設備儲料罐，設定噴涂量及速率，啟動設備，A、B 組分均勻霧化混合，合成UHMWPE/EL 復合材料。

1.2 試驗方法

試驗方法包括工況設置與性能測試兩部分，前者模擬性能衰變過程，包括極端氣候(循環(huán)濕熱老化與循環(huán)低溫脆化)與人工氣候老化，采用國際及國內權威規(guī)范中提供的試驗方法進行模擬；后者主要包括拉伸、撕裂、沖擊、緩沖、TG-DSC及形狀記憶等。

(1) 循環(huán)濕熱老化試驗：參考ISO 4611:2010(E)[19]，將試件置于環(huán)境箱暴露，初始溫度25℃、相對濕度95%；開始升溫，3 h 達到80℃，相對濕度90%；維持12 h 后，溫度在6 h 內降至25℃，相對濕度不低于80%；此后3 h，溫度維持25℃，相對濕度不低于95%，完成24 h 濕熱循環(huán)。

(2) 循環(huán)低溫脆化試驗：借鑒溫變循環(huán)試驗設計方法[20]，環(huán)境箱初始溫度25℃，然后開始降溫，3 h 達到-30℃，此時添加適量冰塊模擬冰凍環(huán)境；維持12 h 后，溫度在6 h 內升至25℃；此后3 h，溫度維持25℃，完成24 h 低溫循環(huán)。

(3) 人工氣候老化試驗：參考GB/T 16422.2-2022[21]，采用氙燈老化箱模擬自然光照、溫濕度等環(huán)境；選擇波長290～800 nm 通帶，輻照度1 200 W/m2，黑標準溫度65℃，相對濕度65%，噴淋量則根據(jù)氣候條件設定。資料顯示，我國大部分地區(qū)屬于溫帶季風氣候，全年輻照度總量1 300～1 500 kW·h/m2、降水總量400～800 mm。根據(jù)能量等效原則，人工氣候老化與自然老化對應情況見表3 (為便于計算，數(shù)值取均值)。

表3 人工氣候老化與自然老化對照Table 3 Matching relation between artificial weathering and natural aging

(4) 拉伸試驗：參考GB/T 2567-2008[22]，采用拉伸強度、斷裂伸長率表征材料拉伸性能。萬能試驗機(UTM5105，深圳三思縱橫科技股份有限公司)沿試件軸向勻速施加載荷至試件斷裂，試驗速度10 mm/min。每組有效試驗不少于3 次，下同。

(5) 撕裂試驗：參考GB/T 529-2008[23]，采用撕裂強度表征材料撕裂性能。將直角形試件置于萬能試驗機(UTM)，沿軸向拉伸方向對稱夾入并施加載荷至試件斷裂，試驗速度500 mm/min。

(6) 沖擊試驗：參考ISO 179-1-2010[24]，采用試件被推移時所消耗能量表征材料吸能特性。將長方體試件置于擺錘式沖擊試驗機(TY-8007，揚州天佑儀器設備有限公司)，測試其發(fā)生變形、推移時消耗的能量，記為吸收能量。

(7) 緩沖試驗：參考GB/T 8168-2008 中方法A[25]，采用靜態(tài)緩沖系數(shù)曲線與最小緩沖系數(shù)表征材料緩力功效。UTM 壓板延試件厚度方向逐漸增荷，試驗速度12 mm/min；荷載急劇增加時停止試驗，輸出“應力-應變(σ-ε)”曲線，計算靜態(tài)緩沖系數(shù)，然后擬合繪制“靜態(tài)緩沖系數(shù)-最大應力(C-σm)”曲線，并確定最小靜態(tài)緩沖系數(shù)。

(8) 熱重分析-差示掃描量熱(TG-DSC)聯(lián)用試驗：采用德國NETZSCH 公司的同步TG-DSC 熱分析儀(STA 449 F3)，溫度30～500℃，升溫速率10℃/min，試驗氣氛為N2。

(9) 形狀記憶試驗：參考形狀記憶聚合物等相關資料[26-27]，采用形狀回復率、回復時間等指標表征材料形狀自動回復能力。具體步驟如下：

①裁剪80 mm×15 mm×1 mm 試件，設定高溫變形溫度(Th) 155℃、低溫定型溫度(Tl) -20℃；

②采用油浴將試件加熱到200℃后維持10 min，置于UTM 環(huán)境箱中加熱保溫，施加力使試件發(fā)生拉伸、彎曲(折疊)、扭轉等變形；

③環(huán)境箱溫度下調至-20℃，維持10 min，試件降溫定型后卸去外力，記錄試件長度、彎曲角度等數(shù)據(jù)；

④重新加熱試件至試驗要求的溫度，試件緩慢恢復原有形狀，變形結束后記錄此時耗費的形狀回復時間(T)及試件尺寸等相關數(shù)據(jù)；

⑤計算形狀回復率(Rr)、回復效率(Re)等指標，如下式所示：

其中：c1為試件初始尺寸(長度/厚度/角度)；c2為試件經高溫加熱與低溫定型后的尺寸(長度/角度)；c3為試件再加熱后形狀回復結束時的尺寸(長度/厚度/角度)；T為試件形狀回復時間。

2 結果與討論

參考涂料服役狀況與所處自然環(huán)境，構建濕熱老化、低溫脆化、氣候老化等三類常見工況，模擬實際應用場景，以未改性的基礎材料(EL)為對照組，重點關注復合材料(UHMWPE/EL)，探究不同服役場景下復合材料力學性能的劣化過程，明確復合材料力學性能的耐久性。其中，為提高測試過程中材料性能及采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，在耐久性能試驗前，材料養(yǎng)生時間設定為7 天。

2.1 基于濕熱老化的UHMWPE/EL 性能劣化過程

設置濕熱老化工況，對比分析基礎材料與復合材料的各項力學性能指標的變化與差異，明確濕熱環(huán)境下材料力學性能的衰減規(guī)律，見圖1～3。

圖1 濕熱環(huán)境下UHMWPE/EL 力學性能變化狀況Fig.1 Change of mechanical properties for UHMWPE/EL at hygrothermal environment

圖2 濕熱環(huán)境下UHMWPE/EL 力學性能保持率Fig.2 Mechanical property retention of UHMWPE/EL at hygrothermal environment

圖3 濕熱環(huán)境下UHMWPE/EL 緩力功效狀況Fig.3 Cushion property change of UHMWPE/EL at hygrothermal environment

目前暫無彈性體涂料專用規(guī)范對各項力學性能進行約束，因此參考同類橡膠乳液、聚合物類涂料等規(guī)范[28]，引入相關技術要求，以此佐證彈性體力學性能的優(yōu)異。圖1、圖2 可知，在濕熱環(huán)境下，隨著暴露時間延長，基礎材料與復合材料的各項力學性能指標均逐漸衰減，程度不一。經過7 天(相關規(guī)范普遍要求的暴露時間)濕熱老化處理后，基礎材料各項力學性能的保持率均大于96%，滿足規(guī)范中“性能保持率≥80%”要求，且拉伸強度出現(xiàn)小幅增加，這是由于高溫條件能夠一定程度上促使吸能材料固化體系更加成熟。隨后，持續(xù)高溫高濕環(huán)境將會導致材料逐漸硬化、損傷部分彈性與韌性。經過30 天濕熱老化處理，基礎材料的力學強度與韌性出現(xiàn)了較大幅下降，超過15%；尤其是撕裂強度，降低20.77%。但吸能特性受到濕熱環(huán)境的影響較小，衰減程度低，暴露30 天后，吸收能量僅降低5%，仍可達0.8170 J。

改性后，復合材料各項力學性能得到改善，指標數(shù)值大幅增加，但其在濕熱環(huán)境下的性能衰變趨勢與基礎材料基本一致。持續(xù)濕熱老化處理下，復合材料各項力學性能的7 天保持率均大于97%；30 天保持率為80%～96%，與基礎材料僅相差1%～3%。其中，復合材料的拉伸強度保持率比基礎材料的高3.64%，略優(yōu)于其他力學性能指標，這可能由于兩方面原因：改性材料自身優(yōu)異強度提升了復合材料整體強度；改性材料在吸能材料形成的“釘扎效應”有效延緩了復合材料整體強度衰減。

圖3 可知，隨著濕熱老化處理時間逐漸增加，不同吸能材料緩力功效均開始衰減，最小緩沖系數(shù)逐漸升高。對于基礎材料，未濕熱老化處理時的最小緩沖系數(shù)為9.67，暴露30 天后，系數(shù)升至13.61，幅度較大。改性后，雖然復合材料最小緩沖系數(shù)初值高于基礎材料，但其暴露30 天后的系數(shù)僅為11.09，比同期基礎材料低18.52%，甚至還低于基礎材料暴露7 天時的系數(shù)。

綜上，濕熱環(huán)境中暴露7 天后，復合材料力學性能保持率大于97%，滿足規(guī)范要求；并持續(xù)保持優(yōu)異緩力功效，衰減程度較低。暴露30 天后，力學性能衰減14%～20%，各項指標分別達：拉伸強度9.62 MPa、斷裂伸長率498.86%、撕裂強度59.74 N/mm、吸收能量1.67 J、最小緩沖系數(shù)11.10。

2.2 基于低溫脆化的UHMWPE/EL 性能劣化過程

對比分析基礎材料與復合材料在寒冷環(huán)境下力學性能的衰減規(guī)律，見圖4～6。

圖4 寒冷環(huán)境下UHMWPE/EL 力學性能變化狀況Fig.4 Change of mechanical properties for UHMWPE/EL at cold environment

圖5 低溫環(huán)境下UHMWPE/EL 力學性能保持率Fig.5 Mechanical property retention of UHMWPE/EL at cold environment

圖6 低溫環(huán)境下UHMWPE/EL 緩力功效狀況Fig.6 Cushion property change of UHMWPE/EL at cold environment

圖4、圖5 可知，在寒冷環(huán)境下，隨著暴露時間延長，吸能材料各項力學性能指標均逐漸衰減，且相比于濕熱環(huán)境，寒冷環(huán)境對吸能材料的影響更大。基礎材料經過7 天低溫脆化處理后，除撕裂強度保持率相對較低(88.30%)外，其余力學性能指標的保持率均大于95%。經過30 天低溫脆化處理，基礎材料各項力學性能指標出現(xiàn)較大幅度下降，均超過10%；撕裂強度降幅最大，為23.48%。寒冷環(huán)境下，吸能特性衰減11.54%，為濕熱環(huán)境下的2.3 倍。

改性后，復合材料的性能衰變趨勢未發(fā)生改變。持續(xù)低溫脆化處理下，復合材料各項力學性能的7 天保持率均大于90%，30 天保持率為77%～91%，優(yōu)于基礎材料。此外，寒冷環(huán)境對復合材料的影響程度與濕熱環(huán)境不一致，30 天濕熱老化處理對材料拉伸強度與斷裂伸長率的降幅基本相同，差異小于1%；而30 天低溫脆化處理后，材料拉伸強度下降明顯(18.16%)，斷裂伸長率降幅則相對較小，僅13.56%。這表明相比于彈性、韌性，寒冷環(huán)境對吸能材料力學強度的破壞更大。

圖6 可知，隨著低溫脆化處理時間逐漸增加，復合材料與基礎材料的緩力功效均逐漸衰減，但前者的最小緩沖系數(shù)整體低于后者，表明前者在相同應力下吸收的能量更高，能量轉化效果更優(yōu)。此外，不同暴露時間下，復合材料最小緩沖系數(shù)基本位于10.2～11.4，該范圍窄于基礎材料(9.7～13.6)，同樣表明寒冷環(huán)境下，經過改性后的復合材料具有更優(yōu)的緩力功效。

綜上，寒冷環(huán)境中暴露7 天后，復合材料力學性能保持率大于90%，滿足規(guī)范要求；并持續(xù)保持優(yōu)異緩力功效，衰減程度較低。暴露30 天后，力學性能衰減13%～23%，各項指標分別達：拉伸強度9.35 MPa、斷裂伸長率501.07%、撕裂強度57.99 N/mm、吸收能量1.57 J、最小緩沖系數(shù)11.46。

2.3 基于氣候老化的UHMWPE/EL 性能劣化過程

對比分析基礎材料與復合材料在氣候老化環(huán)境下力學性能的衰減規(guī)律，見圖7～9。

圖7 氣候老化環(huán)境下UHMWPE/EL 力學性能變化狀況Fig.7 Change of mechanical properties for UHMWPE/EL at weathering environment

圖8 氣候老化環(huán)境下UHMWPE/EL 力學性能保持率Fig.8 Mechanical property retention of UHMWPE/EL at weathering environment

圖9 氣候老化環(huán)境下UHMWPE/EL 緩力功效狀況Fig.9 Cushion property change of UHMWPE/EL at weathering environment

一般情況下，環(huán)氧樹脂等常規(guī)聚合物黏結材料耐候性較差，長期日光或紫外光照射下，其彈韌性將大幅損失，逐漸硬化，引起涂層開裂、脫層等病害。基于此，在使用環(huán)氧樹脂等黏結材料時，經常需添加抗紫外光劑或者上覆一層耐候層材料來延緩黏結材料自身的氣候老化。而圖7、圖8 可知，基礎材料在人工氙燈老化環(huán)境中暴露81 h(即自然光照老化3 個月)后，各項力學性能指標保持率均大于93%；暴露324 h(即自然光照老化1 年)后，保持率仍基本大于80%；表明基礎材料具有良好耐候性。因此，吸能材料可直接應用，無需添加抗紫外光劑搭配使用。

改性后，復合材料各項力學性能指標的保持率在氙燈老化324 h 后基本大于85%，耐候性得到進一步增強，主要體現(xiàn)在彈韌性方面，其中，斷裂伸長率保持率由78.92%提升到85.22%，增長了7.98%。但值得注意的是，氣候老化對復合材料的吸能特性影響較大。氙燈老化324 h 后，材料的吸收能量值減少了14.05%，該降幅遠超其他環(huán)境因素下的9%左右，這可能會影響其緩力功效。

結合上述試驗結果與圖9 可知，氣候老化是影響復合材料耐候性最顯著的因素。隨著暴露時間延長，基礎與改性吸能材料的最小緩沖系數(shù)逐漸增大，經過30 天持續(xù)氙燈老化處理后，前者為13.67，后者為14.13，增幅較大，高于其他環(huán)境因素的影響，但相比于環(huán)氧樹脂等普通聚合物的最小緩沖系數(shù)(一般200 以上)，其數(shù)值仍極低，實質上并未影響復合材料的緩力功效。

綜上，氣候老化環(huán)境中暴露81 h(氣候老化3 月)后，復合材料力學性能保持率大于95%，衰減程度較低。暴露324 h(氣候老化1 年)后，力學強度下降14%～18%，緩力功效較大幅度衰減，各項指標分別達：拉伸強度9.29 MPa、斷裂伸長率493.99%、撕裂強度63.95 N/mm、吸收能量1.49 J、最小緩沖系數(shù)14.13。

2.4 UHMWPE/EL 形狀自動回復能力損傷評價

彈性體復合材料主要通過大幅度物理變形來轉化、消耗外加荷載產生的能量，其核心指標不僅有吸收轉化能量與最小緩沖系數(shù)，還包括形狀自動回復能力，前兩者主要表征材料的吸能緩力功效，后者則評價材料的持續(xù)工作能力。復合材料屬于熱致型形狀記憶聚合物，溫度是影響其自動回復能力的重要因素之一?；诖耍到y(tǒng)研究不同變形方式及環(huán)境溫度對復合材料形狀自動回復能力的影響，進一步明確其環(huán)境適應性，完善復合材料關鍵力學性能評價機制。

2.4.1 基于TG-DSC 的材料熱分解行為

研究復合材料熱分解行為及熔融過程，確定熱致變形溫度，結果見表4 與圖10。

表4 UHMWPE/EL 熱失重對應溫度Table 4 Corresponding temperature of thermal weight loss of UHMWPE/EL

圖10 UHMWPE/EL 的TG-DSC 曲線Fig.10 TG-DSC curves of UHMWPE/EL

復合材料熱失重現(xiàn)象主要分4 個階段：(1)0～260℃，材料質量較穩(wěn)定，失重較小，5wt%以內；(2) 260～337℃，材料開始失重；(3) 337～421℃，失重速率逐漸上升；(4) 421～500℃，失重速率逐漸下降，材料基本完全失重。綜上，復合材料具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性，260℃下不發(fā)生熱分解。溫度在155℃內時，復合材料幾乎不失重，失重比例僅1wt%～2wt%，材料處于高彈態(tài)(橡膠態(tài))，此時分子鏈段進行運動；施加外力后，材料產生大幅度形變，而外力除去后形變可逐漸回復。因此，該范圍的溫度適宜作為形狀自動回復能力測試的高溫變形溫度(Th)，同時路面應用場景需要材料具備較優(yōu)耐熱性，最終確定Th為155℃。

2.4.2 不同溫度對形狀回復能力的影響

設定試件高溫變形溫度(Th)為155℃，低溫定型溫度(Tl)為-20℃，形狀回復溫度為-20℃、0℃、25℃、60℃、80℃。對比分析不同回復溫度、變形方式下復合材料試件的回復效率(圖11～14)，明確復合材料的形狀自動回復能力。

圖11 UHMWPE/EL 形狀記憶試驗過程Fig.11 Process of shape memory test for UHMWPE/EL

圖12 拉伸變形下的UHMWPE/EL 試件長度(a)及回復比例(b)Fig.12 Length (a) and recovery rate (b) of UHMWPE/EL test piece under tension deformation

圖13 彎曲變形下的UHMWPE/EL 試件彎曲角度(a)及回復比例(b)Fig.13 Bending angle (a) and recovery rate (b) of UHMWPE/EL test piece under bending deformation

圖12 可知，試件初始長度為11 cm，經155℃高溫拉伸變形處理后，長度保持在15～17 cm，此后進行不同溫度條件下的無外力自動回復。隨著溫度上升，試件回復時間逐漸縮短、回復率逐漸上升，最高達100%。25℃常溫條件下，自然回復30 min 后回復率即可超過90%，具有良好形狀回復能力；即使-20℃低溫條件下，也可60 min內回復63.41%形變，且仍持續(xù)回復；此外，值得說明的是：80℃高溫條件下，試件10 min 內即可回復98%，回復效率達4.8 mm/min (9.8%/min)。

上述現(xiàn)象是由于熱致型形狀記憶聚合物能夠逆相驅動形狀回復記憶，恢復試件原有形狀；然而，當溫度較低時，聚合物雖已吸收一定能量，具有形狀回復的運動趨勢，但其仍未能克服分子鏈固定相與鏈段范德華力；溫度不斷上升后，材料分子鏈段運動進一步促進和增強，固定相凍結鏈段應力持續(xù)釋放，隨之形狀逐漸回復。

圖13 可知，經過180°折疊彎曲處理后，初期，試件剛開始回復變形時，其彎曲程度即可迅速回復60°～70°(整體彎曲程度的30%～40%)；隨著回復溫度上升，試件回復時間與回復率的變化規(guī)律與上述拉伸變形相一致，整體回復率為80%～90%、回復效率為2°/min～3°/min；高溫條件下，回復效率最佳，可達4°/min 以上。上述表明：相比于拉伸回復，復合材料彎曲回復能力稍有不足，但仍可達到90%以上的回復程度。

圖14 可知，試件初始扭轉定型角度為540°，初期即可迅速回復200°～250°(整體扭轉程度的35%～45%)；不同溫度條件下，試件經過60 min 后可自動回復400°～520°，整體回復率約為75%～95%。溫度對試件扭轉變形的回復能力影響較大，隨著回復溫度逐漸上升，30 min 內回復量開始增加、30～60 min 回復量下降，這表明溫度越高，回復時間越短、回復效率越高。80℃高溫條件下，試件回復能力最佳，10 min 內可回復521°，效率達82°/min(9.6%/min)。上述表明：復合材料具有優(yōu)異的抗扭轉性能。

圖14 扭轉變形下的UHMWPE/EL 試件扭轉角度(a)及回復比例(b)Fig.14 Torsion angle (a) and recovery rate (b) of UHMWPE/EL test piece under torsion deformation

綜上，彈性體復合材料具有良好的形狀自動回復能力，在–20～80℃均可以有效工作，環(huán)境溫度適應性較優(yōu)。其中，常溫條件下，材料拉伸、彎曲和扭轉等變形的回復率基本均達到90%以上，回復效率約3%/min；高溫條件下，材料回復能力更顯著，回復效果是常溫條件下的2～3 倍；低溫環(huán)境下，材料回復性能略微損傷，與常溫回復效果相比，降幅約20%～30%，但最終回復率仍然可達60%～70%，變形回復能力良好。

3 結 論

(1) 彈性體復合材料在不同應用環(huán)境中連續(xù)暴露7 天或81 h 后的力學性能保持率均大于90%，滿足規(guī)范要求；暴露30 天或324 h 后，拉伸、撕裂等力學強度衰變率較高，約15%～20%；吸收能量衰變率較低，約5%～15%；緩力功效則基本保持較高水平，幾乎不衰變。

(2) 相比于濕熱、寒冷等極端環(huán)境，氣候老化環(huán)境對彈性體復合材料力學強度的影響較小，性能劣化程度降低約5%，但其緩力功效衰減幅度高于其他暴露環(huán)境。

(3) 彈性體復合材料具有優(yōu)異熱穩(wěn)定性與形狀自動回復能力，常溫環(huán)境下的拉伸、彎曲和扭轉等變形回復率達90%以上；此外，材料回復效果在高溫環(huán)境下提升1～2 倍、低溫環(huán)境下降低20%～30%。

(4) 本文主要集中在彈性體復合材料宏觀性能方面，暫未涉及微觀結構。今后，應系統(tǒng)研究不同應用場景與工況條件下復合材料的微觀結構變化規(guī)律及性能變化機制，并進一步考慮改性材料成分及相應配比。